0
02126246958

ماده کامپوزیتی چیست؟ (خواص، مزایا و معایب و کاربردها)

نویسنده: فاطمه حاجی محمدی

 

تعریف ماده کامپوزیتی:

کامپوزیت ماده ای است که از دو یا چند جز تشکیل شده است و اجزا تشکیل دهنده مواد جامدی هستند که از لحاظ ترکیب شیمیایی تفاوت دارند و با هم ترکیب نمی‌شود اجزا هویت فیزیکی خود را حفظ می‌کنند و در داخل همدیگه حل یا ادغام نمی‌شود بلکه با همدیگر فصل مشترک یا سطح مشترک مشخصی دارند بدین ترتیب اجزای آن قابل تشخیص از یکدیگر هستند ایجاد فازها با مخلوط کردن یا داخل کردن یک فاز به درون فاز دیگر صورت می‌گیرد به طوری که توزیع یک فاز در فاز دیگر قابل کنترل بوده و می تواند منجر به تولید خواص بهینه شود مهم ترین اختلاف بین آلیاژ و کامپوزیت از همین ویژگی حاصل می‌شود بنابراین آلیاژها کامپوزیت به حساب نمی آیند در کامپوزیت ماهر فلزی بخواهیم را می‌توانیم با یکدیگر ترکیب کنیم اما در آلیاژ ها بحث استحاله فازی پیش می آید و ما نمی توانیم این کار را انجام دهیم.

خواص کامپوزیت بایستی بهتر نسبت به اجزای تشکیل دهنده آن ها باشد.

مواد کامپوزیتی معمولاً شامل اجزاي مشخص و قابل شناسایی به صورت زیر هستند:

فاز ثانویه: الیاف مقاوم یا ویسکرها (تک کریستال هاي ریز به شکل الیاف و با نسبت ابعادي زیـاد ) و ذرات نسـبتاً قوي و سفت (تقویت کننده) که توزیع شده اند.

فاز زمینه یا ماتریس یا رزین: داراي چقرمگی بیشتري است. ماتریس فاز پیوسته اي است که ذرات فاز دوم را در بر میگیرد و آنها را در خود نگه میدارد. این تصور اشتباه است که مـاتریس فـاز بیشـتر موجـود در کامپوزیـت است.

تاریخچه بهره گیري از کامپوزیت توسط بشر به استفاده از کاه گل در ساخت ساختمان هـا برمـی گـردد زمانیکه کاه را با گل می آمیختند و با آن ماده اي ساختمانی به نام کاه گل درست میکردند. کاه جلـوي رشـد تـرك را در گل (به عنوان یک ماده سرامیکی) می گرفت.

 

مزایای کامپوزیت ها:

  • مقاومت مکانیکی بالا نسبت به وزن
  • مقاومت بالا در برابر خوردگی
  • خصوصیات خستگی عالی نسبت به فلزات
  • خواص عایق حرارتی خوب
  • به دلیل صلبیت بیشتر، تحت یک بارگذاری معین، خیز کمتری (بعضاً ده‌ها برابر کمتر) نسبت به فلزات دارند
  • استحکام بالا
  • نسبت حجم به وزن کم
  • سبک بودن پاهی تا چندین برابر مستحکم تر از فولاد با وزنی با چندین برابر کمتر

 

معایب کامپوزیت ها:

۱-گران‌تر بودن: چون وقتی ما بخواهیم از چند ماده استفاده کنیم هزینه افزایش یافته و گاهی نیاز از قبل تقویت کننده را بسازیم

 ۲- ماشین کاری سخت تراست: چون دو تا ماده در داخل هم قرار گرفته و ممکن است گاهی سطح جداشود.

۳- جوشکاری سخت‌تر: فلزات را وقتی خالص است راحت می شود جوشکاری کرد اما وقتی ناخالصی دارد نمی‌شود.

 ۴- تعمیر کردن مشکل است: فلزات را به راحتی می توانیم تعمیرکنیم اما کامپوزیت را نمی‌شود چون ما چند ماده داریم که خواص آن ها کاملاً متفاوت است.

 

دسته بندی کامپوزیت ها از دیدگاه زیستی:

۱- کامپوزیت های طبیعی:کامپوزیت های طبیعی مانند استخوان

۲-کامپوزیت های مصنوعی: مانند فایبر گلاس که شامل الیاف شیشه در ماتریس پلیمر هستند.

 

دسته بندی کامپوزیت ها از نظر نوع ماده ماتریس(زمینه):

۱- کامپوزیت زمینه پلیمری مانند فایبر گلاس

۲-کامپوزیت های زمینه فلزی

۳-کامپوزیت های زمینه سرامیکی

۴- کامپوزیت زمینه شسشه ای

۵- کامپوزیت زمینه اینترمتالیک

کامپوزیت های زمینه شیشه ای و اینتر متالیک در حال تحقیق می باشند.

 

دسته بندی کامپوزیت ها براساس فاز ثانویه:

۱- ماکرو کامپوزیت ها: با چشم غیرمسلح می توانیم ببینیم فاز ثانویه را،مثل بتن مسلح که بتن با فولاد تقویت شده است.

۲- میکروکامپوزیت ها:در داخل زمینه آلومینیومی موادی مثل Tic قرار می دهیم بطوریکه به راحتی دیده نشود و فقط زیر میکروسکوپ قابل دیدن باشد.

۳- نانو کامپوزیت ها: زمانی که ذرات تقویت کننده و یا ذرات زمینه در ابعاد نانو باشند.

 

عوامل موثر برخواص کامپوزیت ها:

۱- مقدار فاز تقویت کننده

 ۲- اندازه فاز تقویت کننده (میکرو،ماکرو،نانو)

۳- شکل فاز تقویت کننده اینکه الیافی باشد خطی باشد در واقع منظور شکل هندسی آن است

۴- توزیع فاز تقویت کننده

 ۵- خواص ماده زمینه

۶- طبیعت فصل مشترکی که بین زمینه و فاز ثانویه وجود دارد.

 

دلیل استفاده از کامپوزیت ها:

استفاده از کامپوزیت های دو دلیل عمده دارد:

 

۱- بهبود خواص ماده:

خواص ماده کامپوزیتی نسبت به اجزای تشکیل دهنده برتر است و نقاط ضعف اجزای تشکیل دهنده بهبود یا کاهش می‌یابد مثلاً خواص ضعیف مواد سرامیکی را با فلزات پر می‌کنند و با فلزات سبک به عنوان ماده زمینه استفاده می‌کنیم مثل آلومینیوم تا سختی و چقرمگی سرامیک ها را بهبود دهید.

۲- تغییر خواص:

گاهی ما به دنبال طراحی مواد برای دستیابی به خواص مورد نظر هستیم مثلا ضریب انبساط حرارتی ماده را بهبود دهیم مثلا هر چه ماده sic به ALاضافه کنیم  و این فاز تقویت کننده بیشتر باشد ضریب انبساط حرارتی کاهش می یابد ما می‌توانیم با این کار آلومینیوم هایی بسازیم که ضریب انبساط حرارتی آنها مثل مس و آهن باشد که کاربرد این آلومینیوم برای فرآیندهای اتصال است پس موضوع دوم که مطرح است دستکاری در خواص است.

 

انواع فاز ثانویه:

فاز ثانویه در واقع فاز دومی است که به زمینه کامپوزیت اضافه شده و خواص جدیدی را ایجاد می کند و در ساخت کامپوزیت ها ساخت فاز ثانویه بسیار مهم است.

 

۱- رشته یا الیاف:ماده ظریفی است که دارای قطر یا ضخامت کمتراز ۲۵۰میکرومتراست ونسبت ابعاد بیشتر از ۱۰۰ میکرومتر است.

۲- filament: همان فیبر پیوسته است اما نسبت طول به قطر به بینهایت میل می کند.

۳- mono filament: یک فیبر پیوسته است که دارای قطر بیشتر از ۱۰۰ میکرومتراست.

۴- ribbon:همان فیبر است اما با سطح مقطع مستطیلی به طولی که نسبت به عرض بیشتر از ۴ است.

۵- particle: ماده ای است که شکل هم محور است و نسبت ابعادی آن یک است.

۶- staple fiber: الیاف کوتاهی هستند و ابعاد طول آن ۱۰ تا ۱۰۰ میلی متر است که بصورت گسسته و مجزا قرار می گیرند.

۷- tow: این مواد جزو دسته ای از الیاف پیوسته هستند.

۸- wire: در واقع فیلامنت هایی از جنس فلز هستند.

۹- ویسکر ها: رشته های کوتاه تک کریستالی هستند که استحکام آنها نزدیک به استحکام تئوری است و عیوب کریستالی ندارند و به همین دلیل استحکام بالایی دارند.

 

کاربرد کامپوزیت ها:

۱- کاربرد کامپوزیت ها در صنعت ساختمان سازی:

موارد استفاده‌ کامپوزیت‌ها در صنعت ساختمان برای ساخت سقف کاذب، در و پنجره، پوشش بام خانه‌ها، لوازم سرویس بهداشتی مثل دوش، وان و سینک در رایج‌ترین نوع خود در نماکاری ساختمان است. کامپوزیت‌ها در ساخت برخی از سازه‌های ساختمانی مثل میلگرد، پروفیل، خرپاها و… هم نقش دارند.

 

۲-صنعت خودروسازی:

در صنعت خودروسازی، کامپوزیت‌های زمینه فلزی در ساخت قطعات مختلفی از جمله محورهای متحرک ماشین برای کاهش سروصدا و افزایش سرعت چرخش استفاده می‌شود. کامپوزیت‌های زمینه فلزی، به دلیل مقاومتی که در برابر حرارت دارند، برای ساخت قطعاتی که زیادی گرم می‌شوند هم انتخاب مناسبی هستند و حتی خودروسازان مطرح دنیا، به فکر استفاده‌ کامپوزیت در ساخت قطعات موتور ماشین‌ها برای کاهش وزن و افزایش مقاومت در برابر سایش هستند.

 

۳-صنعت هوافضا:

درست مثل صنعت خودروسازی، صنعت هوافضا هم نیازمند قطعاتی است که وزن کمتری داشته باشند و در برابر گرما و البته فشار، مقاومت خوبی از خود نشان دهند. به همین خاطر از کامپوزیت در ساخت برخی از قطعات انواع هواپیما و فضاپیماها استفاده می‌شود. البته کامپوزیت‌ها در بخش دیگری از صنعت هم وجود دارند و آن‌ هم تلسکوپ‌های فضایی است که برای ساخت برخی از قطعات آن از این ماده استفاده می‌کنند.

 

۴-کاربرد کامپوزیت‌ در پزشکی:

کامپوزیت‌ها در پزشکی و خصوصا دندان‌پزشکی هم کاربرد دارند. کامپوزیت‌ها در دندانپزشکی باعث آسان شدن روش‌های درمانی شدند و همچنین در موارد زیبایی دندان هم استفاده می‌شوند. کامپوزیت دندان جایگزین روش‌های سنتی درمان دندان شده است و برای روکش دندان کاملا از کامپوزیت استفاده می‌کنند.
کامپوزیت‌ها در ترمیم‌های مختلف دندانپزشکی مثل ترمیم تاج‌های دندان، ترمیم پل‌های دندانی، جایگزین دندان از بین رفته (دندان مصنوعی)، روکش دندان و مواردی که برای زیبایی دندان مثل بهبود شکل ظاهری دندان‌ها استفاده می‌شوند. دلیل این استفاده‌ گسترده از کامپوزیت، ویژگی‌های منحصربه‌فرد و مناسبی است که دارد. در ادامه به تعدادی از این موارد اشاره کردیم:

  • استفاده از کامپوزیت، زمان آماده‌سازی را کاهش می‌دهد و چون به سوراخ‌کاری کمی نیاز دارد، می‌تواند باعث شود که درمان در یک جلسه تکمیل شود.
  • استفاده از کامپوزیت نسبت به روش‌های سنتی که برای روکش انجام می‌گرفته است، ایمنی بیشتری دارد و سلامت دهان و دندان را با ضمانت بیشتری می‌تواند فراهم کند.
  • کامپوزیت نسبت به سایر روش‌ها هزینه‌ کمتری دارد و می‌تواند جایگزین مناسبی برای زمانی باشد که هزینه‌های درمان بیمار زیاد است.
  • با استفاده از ماده کامپوزیت رنگ دندان را می‌توان اصلاح کرد، شکاف بین دندان‌ها را از بین برد و ترمیم‌های زیادی را انجام داد.

 


مطالب دیگر در این موضوع در وب سایت عصر مواد:


 

 

 

ارسال دیدگاه